单片机设计

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1页共16页第1章绪论1.1设计目的1.使自己进一步掌握单片机的理论知识，培养我工程设计能力和综合分析能力；。2.培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法；3.通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法，提高单片机电路的设计和实验能力；4.熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础；5.了解与课题有关的单片机电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图。6.学会熟练使用单片机编程工具软件及单片机软件编程；1.2设计的主要内容1.在本设计中要求设计一个八组单片机控制的抢答器模拟器；2.要求由两个LED（红绿）指示抢答成功或失败；3.要求由1位数码管显示抢答成功（或失败）的组；4.发挥部分：剩余时间显示，各组积分显示；5.课程设计结束后，要求交设计心得，课程设计报告；吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第2页共16页第2章抢答器系统概述2.1八路抢答器设计方案及单片机的选取我设计的该系统采用MCS-51系列单片机AT89S51作为控制核心，该系统可以完成运算控制、信号识别以及显示功能的实现。由于用了单片机，使其技术比较成熟，应用起来方便、简单并且单片机周围的辅助电路也比较少，便于控制和实现。整个系统具有极其灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能的扩张和更改性。CS-51单片机特点如下：1可靠性好：单片机按照工业控制要求设计，抵抗工业噪声干扰优于一般的CPU，程序指令和数据都可以烧写在ROM许多信号通道都在同一芯片，因此可靠性高。2易扩充：单片机有一般电脑所必须的器件，如三态双向总线，串并行的输入及输出引脚，可扩充为各种规模的微电脑系统3控制功能强：单片机指令除了输入输出指令，逻辑判断指令外还有更丰富的条件分支跳跃指令。2.2AT89C51的功能及简介AT89C51单片机是ATMAL公司89系列单片机的一种8位Flash单片机。它最大特点是片内含有Flash存储器，用途十分广泛，特别是在生产便携式商品手提式仪器等方面，有着十分广泛的应用。AT89C51单片机内部主要有以下部件：8031CPU、振荡电路、总线控制部件、中断控制部件、片内Flash存储器、片内RAM、并行I/O接口、定时器和串行I/O接口AT89C51是89系列单片机的标准型，它是与MSC-51系列单片机兼容的。在内部含有4KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000次擦写操作。全静态工作为0-24MHZ，有3级程序锁存器，内部含有128-256字节的RAM，有32条可编程I/O口线，2-3个16位定时/计数器，6-8个中断源，通用的串行接口，低电压空闲及电源下降方式。AT89C51单片机内部由CPU、4KB的FPEROM，128B的RAM，两个16位的定时/计数器T0和T1，4个8位的I/O端P0、P1、P2、P3等组成。单片微机内部最核心的部分是CPU。CPU主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，CPU按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器PC、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第3页共16页时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字寄存器PSW，BCD码运算调整电路等组成。为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。其内部结构如图2-1所示。图2-1AT89C51单片机的内部结构图2.3系统的主要功能本系统是借用单片机采用模块化设计的八路抢答器，包括8路抢答按纽、倒时显示、提示功能等（根据需要可另设或多设相关功能）、开始与结束控制按键、各种相关显示调控功能等（根据需要也可另设或多设相关功能）。参赛者系统，除享有抢答按纽的权利功能外，还有人性化的提示功能和时间提示功能，也可设定由主持控制在参赛者终端表现的趣味性功能等；主控系统的控制按键做开始和结束按键对结束的控制，对抢答限时及回答问题限时设为倒计时，并有显示提示。系统的主要功能模块方框图如图2-2所示。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第4页共16页图2-2系统主要功能模块本系统采用模块化设计的八路抢答器，在抢答比赛中广泛应用，各组分别有一个抢答按键。一共有8个按键输入，分别对应8路选手的抢答按键。主持人有开始和结束按键。活动开始可以预设置抢答的时间，修改改上述时间，主要是修改程序中的时间。设置好时间后抢答开始，主持人按开始键后，选手开始抢答为有效，数码显示屏显示抢答时间倒计时和选手号，在最后五秒扬声器发生提示、和数码管的闪烁进行提示。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码不予显示。主持人按键开始新一轮的抢答，上一次的犯规抢答器将不会被记录，不给予显示。单片机是整个抢答器的核心，内部电路设计用C语言编写。它完成了时间参数的设定，抢按号码的译码，保存；显示；输出，抢答者序号和倒计时间。本设计中，有一个四位共阴的数码管组。其中两个显示时间，一个固定显示F，一个显示抢答号码。主持人依次按下开始键（Start），开始键后开始抢答。可以抢达按键：超时数码管显示初值“0F20”。若有选手在规定时间内抢按成功，则可以答题，数码管显示抢答时间的同时也显示选手号码。如果没人抢答，则最后5s蜂鸣器蜂鸣，数码管闪烁。2.4抢答器的工作过程抢答器的基本工作原理：在抢答竞赛或呼叫时，有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部的寄存器工作，并识别、记录第一个号码，同时内部的定时器开始工作，记录有关时间并产生超时信号。在整个抢答器工作过程中，显示电路、声音电路等还要根据现场的实际情况向外电路输出相应信号。抢答器的工作流程分为：系统复位、正常流程、显示流程等几部分。抢答器的工作过程如下：吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第5页共16页1、如果想调节抢答时间，在比赛开始的时候编辑程序，写到芯片里面。2、主持人按抢答开始键，并立刻进入抢答倒计时（预设20S抢答时间），如有选手抢答，会显示其号数并立显示倒计时剩余的时间，并且锁定其他的选手抢答无效，所以只有第一个按抢答的选手有效。倒数时间到小于5S会每秒响一下提示音。3、如倒计时期间，主持人想停止倒计时可以随时按“停止”按键，系统会自动进入准备状态，等待主持人按“抢答开始”进入下次抢答计时。4、如果主持人未按“抢答开始”键，而有人按了抢答按键，抢答无效，不给予显示，并且开始下一轮的答题。总而言之，本课题利用AT89C51单片机及外围接口实现的抢答系统设计了抢答器，该抢答器增加了新功能、提高了系统的可靠性、简化了电路结构、节约了成本，是一个实用的工程设计。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第6页共16页第3章电路设计原理及硬件设计3.1单片机最小系统的原理本课题采用了单片机最小系统来实现八路抢答器，下面是单片机最小系统的原理。单片机的主要功能是负责整个系统的控制，不承担复杂的数据处理任务，因此在设计单片机最小系统时通常选用AT89C5l、AT89C52、AT89S51、AT89S52（S系列芯片支持ISP功能）等型号的8位单片机作为MCU。本单片机最小系统采用的是AT89C51。一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路、复位电路、片外RAM、片外ROM、按键、数码管、液晶显示器、外部扩展接口等部分组成，图3-1分别给出了单片机最小系统的结构框图。图3-1单片机最小系统的结构框图3.2八路抢答器工作原理智力竞赛抢答器用单片机来设计制作完成,由于其功能的实现主要通过软件编程来完成,采用单片机AT89C51,它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器,且允许在系统内改写或用编程器编程。该智力竞赛抢答器的准确度很高，其误差主要由晶振自身的误差所造成。AT89C51单片机由微处理器，存储器，I/O口以及特殊功能寄存器SFR等部分构成。其存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间，片内程序存储器的吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第7页共16页容量为4KB，片内数据存储器为128个字节。89C51单片机有4个8位的并行I/O口：P0口，P1口，P2口和P3口。各个接口均由接口锁存器，输出驱动器，和输入缓冲器组成。P1口是唯一的单功能口，仅能用作通用的数据输入/输出口。P3口是双功能口除了具有数据输入/输出功能外，每条接口还具有不同的第二功能，如P3.0是串行输入口线，P3.1口是串行输出口线。在需要外部程序存储器和数据存储器扩展时，P0可作为分时复用的低8位地址/数据总线，P2口可作为高8位的地址总线。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。3.3控制系统及所需元件控制系统主要由单片机应用电路、存储器接口电路、显示接口电路组成。其中单片机AT89C51是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作.所需元件：该系统的核心器件是AT89C51。在其外围接上复位电路、上拉电阻、数码管、按钮及扬声器。元件为：晶振X1、电容C1、C2、C3、电阻RP1、P3.0和P3.1由裁判控制,分别是抢答开始和停止键。P1.0-P1.7是8组抢答的输入口,P2.0--P2.3口为数码管的段选口,位选口用的是P0.0--P0.6口输出,P3.6为蜂鸣器的控制口。AT89C51的管脚图如下图3-2所示：图3-2AT89C51的管脚图吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第8页共16页3.4振荡电路的设计8051内部有时钟电路，只需外部接石英晶体和微调电容即可，通常选用的是6MHz、12MHZ、11.0592MHz。然而一般选用石英晶体振荡器。石英晶振的频率非常稳定，非常适合用在这个地方，电路晶振在加电大约延迟10ms后振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容C1,C2的作用有两个:一是帮助振荡器起振;二是对振荡器的频率进行微调。C1,C2的典型值为30PF。外部振荡电路单片机必须在AT89C51的驱动下才能工作.在单片机内部有一个时钟振荡电路,只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元。外部振荡电路见图3-3所示：图3-3外部振荡电路我们选用的是12MHz的晶振，而它的机器周期是1微秒。3.5复位电路的设计单片机的第9脚RST为硬件复位端,只要将该端持续4个机器周期也（就是4微妙）的高电平即可实现复位,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态。外部中断和内部中断并存，单片机有硬件复位端,只要输入持续4个机器周期的高电平即可实现复位。硬件复位后的各状态可知寄存器及存储器的值都恢复到了初始值,应为本设计功能中有倒计时时间的记忆功能，所以不能对单片机进行硬件复位。只能用软复位。软复位实际上就是当程序执行完毕之后,将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程。复位电路采用图3-4所示：吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第9页共16页图3-4复位电路3.6显示电路的设计显示电路使用了四位七段数码管，它是共阳极的，由高电平点亮。虽然是共阴数码管是由高电平点亮，但是数码管需要三极管作为开关，将其位选打开或者是关闭，所以点亮的电平不仅取决于共阴还是共阳，还和使用的三极管有关系，我们使用的是9013型号的三极管，它是NPN的管子，所以是高电平予以点亮。数码管的段选和位选，四个数码管的段选的ABCDEFG分别都是接到一起，分别引出称之为段选，每个数码